鋁合金貯箱法蘭件自動化焊接工藝研究

宋建嶺吳志生王 軍肖 宏

(1.太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030024；2.天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 航空航天學(xué)院,天津 300350；3.天津航天長征火箭制造有限公司,天津 300462)

0 引言

箱底是運(yùn)載火箭貯箱的重要組成部件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，幾何尺寸精度要求高，空間位置焊縫多，焊接難度大，箱底焊接質(zhì)量一直是制約貯箱質(zhì)量和生產(chǎn)效率的瓶頸。一般運(yùn)載火箭貯箱的箱底由若干瓜瓣、頂蓋、叉型環(huán)、法蘭等組成，箱底上開孔并焊接上各種法蘭盤[1-4]。其中法蘭盤焊縫是箱底主要焊縫之一，對質(zhì)量要求較高，其焊接質(zhì)量直接影響箱底的質(zhì)量與形位尺寸。每條法蘭盤環(huán)縫均要進(jìn)行X無損檢測、液壓與氦質(zhì)譜檢漏[5]。若法蘭盤焊后有缺陷，則補(bǔ)焊后變形較大，若矯形效果不好，會導(dǎo)致法蘭盤的形位尺寸超差，影響箱底焊后的形位尺寸，并且在成箱后法蘭盤和箱底的形位尺寸均會超差[6-8]。

目前,對于在貯箱箱底成形后的狀態(tài)下進(jìn)行焊接的對接法蘭仍采用兩面、三層手工焊接方式。

由于手工焊接時因工人操作水平不同，焊接質(zhì)量一致性差，導(dǎo)致焊接變形嚴(yán)重，焊接缺陷較多。因此，開展對接法蘭自動化焊接的研究，是提升貯箱箱底制造質(zhì)量的有效途徑和方法。

1 試驗準(zhǔn)備

1.1 材料

表1 2219鋁合金化學(xué)成分 %

試驗焊接母材選取Al-Cu系高強(qiáng)度可熱處理強(qiáng)化鋁合金，材料為2219(MCS態(tài))鋁合金；焊絲采用2219鋁合金專用焊絲，焊絲牌號2325，直徑1.6 mm；保護(hù)氣：99.99%高純氦氣和氬氣。2219鋁合金化學(xué)成分和常溫力學(xué)性能分別如表1，2所示。

表2 2219鋁合金常溫力學(xué)性能

1.2 法蘭件裝配工藝研究

在法蘭盤的焊接裝配中若過盈量較小，焊后會有較大的失穩(wěn)變形，需要進(jìn)行人工矯形。為了控制焊接變形、提高焊接質(zhì)量，需要優(yōu)化得出最佳裝配量。本試驗采用厚度8 mm的2219法蘭平板件，焊接工裝采用可以懸空焊接的試驗臺。

圖1示出用于裝配量優(yōu)化試驗的法蘭件。法蘭件直徑?180 mm，公差為+0.15～+0.25 mm。法蘭孔直徑?180 mm，并設(shè)置了3組過盈量公差,如表3所示。通過研究過盈量對裝配過程、打底焊接過程及焊縫成形的影響，優(yōu)化出最佳裝配量。

(a)法蘭件結(jié)構(gòu)示意 (b)法蘭件實物

圖1 法蘭件結(jié)構(gòu)及實物圖

表3 法蘭孔公差

焊接時，首先分3段定位，定位焊縫長度120～150 mm；然后進(jìn)行全定位；最后進(jìn)行打底焊接，焊接過程如圖2所示。圖3示出焊接后焊縫成形情況，可以看出，1#件裝配后可滿足錯縫不大于0.2 mm的工藝要求,打底焊接過程穩(wěn)定；焊后其正面焊縫及背部焊道均勻，焊縫正面有亮帶，正面焊縫均勻，基本無變形。

圖2 法蘭件焊接示意

(a)1#焊縫成形

(b)3#焊縫成形圖3 試驗件背面焊道成形情況

2#及3#件焊接時電弧均不穩(wěn)定，且背面焊道成形不均勻，出現(xiàn)未熔合現(xiàn)象。分析發(fā)現(xiàn)過盈量較小，使得裝配壓縮應(yīng)力較小，影響懸空焊的背面焊道成形，當(dāng)過盈量大于0.2 mm時焊接穩(wěn)定，焊縫成形均勻、連續(xù)。因此為保證焊接質(zhì)量，過盈量需大于0.2 mm。

2 焊接試驗及分析

2.1 平板狀態(tài)下焊接試驗

圖4 焊接試片結(jié)構(gòu)示意

本試驗針對典型厚度5 mm及8 mm試片進(jìn)行變極性TIG懸空打底工藝優(yōu)化研究。試片尺寸分別為300 mm×150 mm×5 mm和300 mm×150 mm×8 mm，采用無對接間隙不開坡口，且不填絲自熔的打底焊接工藝，如圖4所示。焊接工裝采用可以懸空焊接的試驗臺，如圖5所示。

圖5 焊接試驗臺

打底焊接使用的鎢極經(jīng)過優(yōu)化后，其形狀及結(jié)構(gòu)參數(shù)分別如圖6、表4所示。

圖6 鎢極尖端形狀

表4鎢極結(jié)構(gòu)參數(shù)

板厚/mm鎢極直徑/mm鎢極尖端直徑/mm錐度/(°)551.0～1.230851.8～2.045

2.1.1 5 mm試片打底焊接工藝優(yōu)化試驗

5 mm薄板焊接打底參數(shù)中，弧壓對焊接過程中的穩(wěn)定性及焊后成形影響尤為顯著[9]，經(jīng)過優(yōu)化，選用弧壓13.5 V及13 V進(jìn)行試驗，其他參數(shù)選用已優(yōu)化的參數(shù)，如表5所示。焊后情況如圖7所示。根據(jù)焊接過程中的穩(wěn)定性及焊后成形情況來看，選用弧壓13.5 V的1組焊接過程穩(wěn)定，焊道背面較飽滿且邊部過渡圓滑，且焊道背面寬度適度。選用弧壓13 V的2組焊接過程弧壓不穩(wěn)定，可見弧壓對電弧穩(wěn)定性具有很明顯的影響。

表5 5 mm試片焊接工藝參數(shù)

(a)弧壓13.5 V打底焊縫背面

(b)弧壓13.5 V打底焊縫正面

(c)弧壓13 V打底焊縫正面圖7 5 mm試片打底焊縫形貌

2.1.2 8 mm試片打底焊接工藝優(yōu)化試驗

根據(jù)前期的試驗情況，焊接速度對厚度8 mm試片的打底焊接質(zhì)量比較敏感，焊接速度分別選用14，16 m/h，其他參數(shù)如表6所示。試驗結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?，選用14 m/h的1組焊接過程穩(wěn)定，焊道背面比較飽滿且邊部過渡圓滑，焊道背面寬度適度；選用16 m/h的2組焊接過程不穩(wěn)定，焊道背面成形不均勻，且出現(xiàn)不同情況的拐彎現(xiàn)象。

2.1.3 焊接接頭性能分析

打底焊接參數(shù)優(yōu)化后，對厚度5 mm和8 mm試片分別進(jìn)行打底焊接和蓋面焊接，焊接參數(shù)如表7～9所示。

焊接完成后，對5 mm及8 mm試片分別進(jìn)行常溫及-196 ℃低溫力學(xué)性能測試、金相組織分析及斷口分析，分析驗證參數(shù)優(yōu)化后的焊接接頭性能。

表6 8 mm試片焊接工藝規(guī)范

(a)焊接速度14 m/h 焊縫 (b)焊接速度16 m/h 焊縫

圖8 8 mm試片打底焊縫形貌

表7 5 mm試片焊接工藝規(guī)范

表8 8 mm試片焊接工藝規(guī)范

表9 焊機(jī)交流參數(shù)設(shè)置

EN為負(fù)半波電流；EP為正半波電流；脈沖時間為脈沖的時間與脈沖周期的比值百分比；基值電流為基值電流與脈沖電流的比值百分?jǐn)?shù)；交流平衡為EN與交流周期的比值百分?jǐn)?shù)

(1)焊接接頭拉伸性能。

5 mm試片拉伸性能如圖9所示。焊接接頭常溫抗拉強(qiáng)度平均值296.3 MPa，常溫延伸率平均值6.9%；低溫(-196 ℃)抗拉強(qiáng)度平均值358.8 MPa，低溫延伸率平均值8.9%。

8 mm試片拉伸性能如圖10所示。焊接接頭常溫抗拉強(qiáng)度平均值278.6 MPa，常溫延伸率平均值5.1%；低溫(-196 ℃)抗拉強(qiáng)度平均值339 MPa，低溫延伸率平均值5.7%。

(a) (b)

圖9 5 mm試片抗拉強(qiáng)度及延伸率

(a)

(b)圖10 8 mm試片抗拉強(qiáng)度及延伸率

從圖9，10可以看出，對于這兩種厚度試片焊接接頭，其低溫狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度及延伸率均優(yōu)于常溫，且數(shù)值遠(yuǎn)大于貯箱制造要求。

(2)焊接接頭宏觀形貌和顯微組織。

將厚度5 mm試驗件焊縫接頭取樣研磨、拋光后用混合酸侵蝕，對焊縫接頭進(jìn)行微觀金相組織觀察，如圖11所示。

(a)母材

(b)熱影響區(qū)

(c)焊縫圖11 焊縫金相組織

從接頭金相組織可以看出，兩道焊縫銜接過渡良好，蓋面焊縫熔合線和打底焊縫熔合線距離較遠(yuǎn)，熱影響區(qū)晶界粗化現(xiàn)象明顯，晶粒相對較大；焊縫外來金屬的加入使該部分組織晶粒細(xì)化，可觀察到細(xì)小的等軸晶，具有鑄造組織特征；熔合線為焊縫與熱影響區(qū)的過渡區(qū)域，存在明顯的分界區(qū)域，在分界線上由于較大晶粒與較小晶粒之間的差異，使得該區(qū)域力學(xué)性能較薄弱，成為接頭斷裂的位置。

(3)焊接接頭斷口分析。

拉伸試件均斷裂于焊縫熔合區(qū)附近，接頭熔合區(qū)是接頭性能最薄弱的區(qū)域[10-11]。對兩種厚度試樣進(jìn)行斷口分析，如圖12所示?？梢钥闯觯宇^斷口以帶交錯韌窩的塑性斷裂為主。

(a)厚度5 mm

(b)厚度8 mm圖12 焊接接頭斷口形貌

2.2 法蘭件焊接工藝試驗

圖13 法蘭件焊接過程

(a)常溫取樣

(b)低溫取樣圖14 拉伸試樣切取方式

厚度5 mm法蘭件拉伸性能如表10所示。采用優(yōu)化的裝配過盈量尺寸及優(yōu)化的焊接參數(shù)焊接5 mm厚法蘭件，焊接接頭常溫抗拉強(qiáng)度平均值295 MPa，常溫延伸率平均值6.6%；低溫(-196 ℃)抗拉強(qiáng)度平均值371 MPa，低溫延伸率平均值7.6%。

表10 厚度5 mm法蘭件拉伸性能

厚度8 mm法蘭件拉伸性能見表11?？梢钥闯觯附咏宇^常溫抗拉強(qiáng)度平均值275 MPa，常溫延伸率平均值5.1%；低溫(-196 ℃)抗拉強(qiáng)度平均值364 MPa，低溫延伸率平均值6.5%。

表11 厚度8 mm法蘭件拉伸性能

因此，對于兩種典型厚度的法蘭件焊接接頭，其抗拉強(qiáng)度及塑性指標(biāo)數(shù)值遠(yuǎn)大于貯箱制造的要求，且低溫抗拉強(qiáng)度及延伸率優(yōu)于常溫，可以滿足生產(chǎn)需要。

3 結(jié)論

(1)法蘭件裝配的過盈量大于0.2 mm時，可滿足錯縫不大于0.2 mm的工藝要求，且焊接過程穩(wěn)定，背焊道成形均勻、連續(xù)，正面焊縫均勻，基本無變形。

(2)厚度5 mm法蘭件焊接接頭常溫抗拉強(qiáng)度295 MPa，常溫延伸率6.6%；低溫(-196 ℃)抗拉強(qiáng)度371 MPa，低溫延伸率7.6%。厚度8 mm 法蘭件常溫抗拉強(qiáng)度275 MPa，常溫延伸率5.1%；低溫(-196 ℃)抗拉強(qiáng)度364 MPa，低溫延伸率6.5%。兩種典型厚度的法蘭件焊接接頭，抗拉強(qiáng)度及塑性指標(biāo)遠(yuǎn)大于貯箱制造的要求，可以滿足生產(chǎn)需要。

(3)拉伸試件均斷裂于焊縫熔合區(qū)附近，接頭熔合區(qū)是接頭性能最薄弱的區(qū)域。焊接接頭斷口表明，斷裂以帶交錯韌窩的塑性斷裂為主。